CN106980806A - 一种电缆沟道安全巡视及故障定位算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电缆沟道安全巡视及故障定位算法，该算法由无源UHF超高频RFID电子标签定位算法和有源Wi‑Fi标签定位算法构成。无源UHF超高频RFID电子标签定位算法可实现隧道内电力线路故障的实时定位和记录问题，有源Wi‑Fi标签定位算法可对漏检人员实现安全、实时、准确定位和信息识别、采集、记录、跟踪等管理。本发明专利将两种算法相结合，并针对无源UHF超高频RFID电子标签和有源Wi‑Fi电子标签的读写冲突干扰问题，在原有的算法中引入了读写抗干扰策略，比较于原有的算法能更好解决电子标签在实际应用环境中，因受到各种干扰而使得误码率增大、识别速度变慢、识别距离减小的问题。实现了“巡检人员工作安全监控管理”和“线路故障问题自动定位上报管理”，保证了电缆沟道安全管理工作的高效运作。具有行业推广和示范效益。

Description

一种电缆沟道安全巡视及故障定位算法

技术领域：

本发明公开一种电缆沟道安全巡视及故障定位算法，该算法可对无源UHF超高频RFID电子标签及有源Wi-Fi标签进行定位，可实现漏检人员的信息识别、采集、记录、跟踪及实时定位管理和资产故障的寻址追溯管理，保证了电缆沟道安全管理工作的高效运作。

背景技术：

电缆沟是发电厂、变电站中必不可少的基础设施，主要用来放置电缆。目前电缆沟巡检存在诸多问题：人工巡检工作方式较为落后，巡检工作基本通过人工手写工作薄巡检或基于条码识别的巡检应用等方式进行周期性巡视，工作效率低下且不能满足信息快速流动的需要；巡检方式建立于GPS及GPS平台，由于受到环境限制，信号覆盖率低下，实用性不高，不利于推广；部分巡检平台人工干预较多，量化考核困难，不能有效评估巡检效果；单纯对巡检结果进行记录，不能提供故障位置的可视化信息，一旦巡检人员发生安全事故，其他工作人员无法在第一时间对事故点进行自动精确定位。

利用无线局域网和RFID射频标签实现定位和设备识别的算法相关研究在国内外的公开报道比较多，但是将有源Wi-Fi标签与无线局域网结合用于巡检人员的实时定位、将无源UHF超高频RFID电子标签用于电缆沟道故障的实时定位，并将二种算法结合定向化应用在电缆沟道安全巡视和故障定位中的相关的创新开发，还未见公开报道。

鉴于此，本发明专利提供了一种电缆沟道安全巡视和故障定位算法，该算法可对无源UHF超高频RFID电子标签及有源Wi-Fi标签进行定位，可实现漏检人员的信息识别、采集、记录、跟踪及实时定位管理和资产故障的寻址追溯管理，保证了电缆沟道安全管理工作的高效运作。算法解决了目前电力行业电缆沟道巡检过程中的存在的主要问题，保证了电力工作人员的工作安全、提高企业生产运营管理效率并降低企业运营成本。

发明专利内容：

本发明专利的目的在于提供一种电缆沟道安全巡视和故障定位算法，该算法可对安全巡视和故障定位系统所采用的无源UHF超高频RFID电子标签及有源Wi-Fi标签进行定位。算法利用现有成熟的Wi-Fi、TCP/IP及工业485通讯网络作为主传输平台，以实现电缆沟无盲区的无线通信覆盖，通过算法对电缆漏检人员进行实时定位管理并对安全巡查的泄漏电缆进行故障定位和资产寻址追溯管理。

本发明专利解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种电缆沟道安全巡视和故障定位算法，由无源UHF超高频RFID电子标签定位算法和有源Wi-Fi标签定位算法组成。无源UHF超高频RFID电子标签定位算法用于电缆沟道故障资产的实时定位，有源Wi-Fi标签定位算法用于电缆漏检人员的实时定位。

无源UHF超高频RFID电子标签，内置全球唯一的ID码，用于精确标识地下管线特征点，是一种可被相应的手持定位读写设备从地面以非开挖方式探测到的无源电子器件。应用时主要埋在需要定位的管线附件，每一根电缆上环贴的标示器都要由唯一的电缆沟道总标示器管理，所以在无线写入电缆标示器信息时候，它会提醒输入沟道总标示器ID号并在读写器中作为中间程序段暂存，在下一步写入总标示器时候读写器会自启动中间程序段在界面提醒不要漏掉刚输入的电缆编号信息；在删除时候同理，即互锁程序。在系统运行前必须通过管线管理系统设置与相应的管线资料(如施工时间、位置、电缆数量、口径和电路方向等信对应起来，埋入时应与被定位的物体距离5～10cm。无源UHF超高频RFID电子标签的识别在实际应用环境中，会受到各种干扰的影响，使得误码率增大、识别速度变慢、识别距离减小，因此针对RFID读写冲突干扰问题，在算法中加入读写抗干扰策略。

无源UHF超高频RFID电子标签定位算法的步骤如下：

第一步，在电缆沟内部署无源UHF超高频RFID电子标签，记录手持式带有UHF读头的PDA到无源UHF超高频RFID电子标签的信号强度、电子标签的坐标以及配置信息等预处理操作。

无源UHF超高频RFID电子标签的部署根据实际室内环境的长宽高、标签密度等级有不同的摆放。假定电缆沟道的长宽高分别为L(m)、W(m)、H(m)，那么无源电子标签的部署根据标签密度等级对应的电子标签间距以及标签个数如表1所示。

表1无源标签密度等级

无源电子标签的个数计算，根据电缆沟道的长宽大小以及电子标签间距进行计算，计算结果向下取整。

第二步，在传送信号之前，PDA必须侦听信道内是否有其它读写器的信号，如果信道空闲，将读取标签；如果信道忙，将随机选择一段退避时间，再继续读取。PDA根据读取目标标签的信号强度划分两个关键的信号强度等级最大和最小信号强度等级，根据最大和最小信号强度等级之间的电子标签集估计PDA到目标标签之间的估计距离。

在定位环境的部署情况的基础上，需要将PDA信号强度划分不同的信号强度等级，划分信号强度等级要求PDA支持接收信号强度检测(RSSI)。需要对PDA信号强度进行校准，使得PDA发射信号强度呈线性增加，同时需要根据PDA读取电子标签的不同信号强度划分不同的信号强度等级。在算法的初始阶段，需要调整PDA信号强度等级从最小开始增加，PDA在信号强度从小到大增加的过程中会读取RFID标签，PDA读取目标RFID标签时存在两个关键的信号强度等级——最大信号强度等级(K_max)和最小信号强度等级(K_min)。最大信号强度等级是PDA发射信号强度在该等级时恰好不能读取到目标标签；最小信号强度等级是PDA发射信号强度在该等级时恰好能够读取到目标标签。

第三步，使用基于标签与PDA接收距离的“三球交汇”公式(式1)计算目标标签的估计坐标。

其中(x_i，y_i，z_i)为PDA的坐标，(x₀，y₀，z₀)是未知的目标标签坐标。

根据公式1与“三球交汇”模型可以得到解的三种情况：(a)存在一组解；(b)存在复数解；(c)存在两组解。情况(a)存在复数解的情况表示三个球方程无实数解，直接忽略该解的结果；情况(b)存在一组解，直接将该解放入目标标签估计坐标集R中；情况(c)存在两组解，根据球方程的球心位置可以知道，两组解一组位于电缆沟道六面体模型上平面的上方，一组解位于六面体模型上平面的下方，考虑实际六面体模型的目标标签只可能存在于六平面模型上平面的下方，因此将在六平面模型下方的解放入目标标签估计坐标集R中。

最后，使用最小二乘法平面拟合得到目标标签的估计坐标。

有源Wi-Fi标签定位算法与无源UHF超高频RFID电子标签定位算法的主要区别在于：一、由于有源Wi-Fi标签的信号采集点分布在局域网内，因此在第二步的抗读写冲突干扰策略上与无源标签定位算法有所不同；二、由于在有源Wi-Fi标签具有能量，发射信号范围呈球形，因此在第三步加入了对有源标签发射信号球在无线局域网信号采集点上下平面的截面圆心和圆半径的计算，最后使用数学模型求解目标标签的坐标。具体步骤如下：

第一步，将有源Wi-Fi定位标签作为无线数据采集模块佩戴在人员身上或者安装在贵重物品上，通过无线局域网环境对有源Wi-Fi定位标签的信号强度、电子标签的坐标以及配置信息等预处理操作。

第二步，对于无线局域网环境内的每个Wi-Fi定位标签读写器，在0-maxTime Slot范围内随机选择一个时隙进行通信，如果发生冲突，则随机选择另一个时隙并通知邻近的读写器；如果相邻读写器内有同样的时隙，则该读写器重新选择一个新的时隙，读写器同时跟踪当前的时隙。根据读取目标标签的信号强度划分两个关键的信号强度等级最大和最小信号强度等级，根据最大和最小信号强度等级之间的电子标签集估计无线局域网内标签采集点到目标标签之间的估计距离。

第三步，在无线局域网环境中的标签采集点的信号从小到大逐渐增加的过程中会读取装配标签的人员和物品的有源电子标签，也就是信号球与信号球相交。使用基于标签与无线局域网内标签采集点接收距离的“三球交汇”公式(式1)对有源标签发射信号球在电缆沟道模型的上下平面的截面圆心和圆半径进行计算，并计算目标标签的估计坐标。

最后，使用最小二乘法平面拟合得到目标标签的估计坐标。

从上述的技术方案可以看出，本发明专利设计了一种电缆沟道安全巡视及故障定位算法。算法基于有源及无源电子标签的定位，将二者的定位算法结合并引入了读写抗干扰策略，利用RFID电子标签不易破损、数据可靠、使用周期长、有效通讯距离长等特点，将其运用在电缆沟道安全巡查和故障定位的工作中，为漏缆抢修提供精确定位，实现电力巡检管理中“人、地、时、问题同步管理”。

本发明专利的有益效果是：

1.本发明专利设计了一种电缆沟道安全巡视及故障定位算法，算法由无源UHF超高频RFID电子标签定位算法和有源Wi-Fi标签定位算法组成。无源UHF超高频RFID电子标签定位算法可以实现电缆沟道故障资产的实时定位，有源Wi-Fi标签定位算法可以实现电缆漏检人员的实时定位。本发明专利将两种算法相结合，实现了“巡检人员工作安全监控管理”和“线路故障问题自动定位上报管理”，具有行业推广和示范效益。

2.本发明专利设计的一种电缆沟道安全巡视及故障定位算法，针对无源UHF超高频RFID电子标签和有源Wi-Fi电子标签的读写冲突干扰问题，在原有的算法中引入了读写抗干扰策略，比较于原有的算法能更好解决电子标签在实际应用环境中，因受到各种干扰而使得误码率增大、识别速度变慢、识别距离减小的问题。

附图说明：

下面结合附图和实施例对本发明专利进一步说明。

图1是本发明专利的算法流程图。

图2是本发明专利的“三球交汇”模型图。

图3是本发明专利的仿真结果图。

图4是本发明专利的系统结构图。

具体实施方式：

图1是本发明专利的算法流程图，算法由无源UHF超高频RFID电子标签定位算法和有源Wi-Fi标签定位算法组成。无源UHF超高频RFID电子标签定位算法用于电缆沟道故障资产的实时定位，有源Wi-Fi标签定位算法用于电缆漏检人员的实时定位。

无源UHF超高频RFID电子标签定位算法首先在电缆沟内部署无源UHF超高频RFID电子标签，记录手持式带有UHF读头的PDA到无源UHF超高频RFID电子标签的信号强度、电子标签的坐标以及配置信息等预处理操作。在传送信号之前，PDA必须侦听信道内是否有其它读写器的信号，如果信道空闲，将读取标签；如果信道忙，将随机选择一段退避时间，再继续读取。随后，PDA根据读取目标标签的信号强度划分两个关键的信号强度等级最大和最小信号强度等级，根据最大和最小信号强度等级之间的电子标签集估计PDA到目标标签之间的估计距离。算法使用基于距离的“三球交汇”公式计算目标标签的估计坐标。最后使用最小二乘法平面拟合得到目标标签的估计坐标。

有源Wi-Fi标签定位算法首先将有源Wi-Fi定位标签作为无线数据采集模块佩戴在人员身上或者安装在贵重物品上，通过无线局域网环境对有源Wi-Fi定位标签的信号强度、电子标签的坐标以及配置信息等预处理操作。然后，对于无线局域网环境内的每个Wi-Fi定位标签读写器，在0-maxTime Slot范围内随机选择一个时隙进行通信，如果发生冲突，则随机选择另一个时隙并通知邻近的读写器；如果相邻读写器内有同样的时隙，则该读写器重新选择一个新的时隙，读写器同时跟踪当前的时隙。根据读取目标标签的信号强度划分两个关键的信号强度等级最大和最小信号强度等级，根据最大和最小信号强度等级之间的电子标签集估计无线局域网内标签采集点到目标标签之间的估计距离。随后，使用基于标签与无线局域网内标签采集点接收距离的“三球交汇”公式对有源标签发射信号球在电缆沟道模型的上下平面的截面圆心和圆半径进行计算，并计算目标标签的估计坐标。最后，使用最小二乘法平面拟合得到目标标签的估计坐标。

图2是本发明专利的“三球交汇”模型图。PDA发射的射频信号可以近似于一个以PDA为球心的信号球，PDA发射的信号球在读取目标标签的最大信号强度等级和最小信号强度等级会同时读取到上平面已知坐标的电子标签集。每个PDA读取目标标签的最大和最小信号强度等级同时在电缆沟道的六面体模型的上平面读取的不同电子标签集。无源UHF超高频RFID电子标签算法基于标签与PDA接收距离的“三球交汇”的公式与模型计算目标标签的估计坐标。根据公式与模型可以得到解的三种情况：(a)存在一组解；(b)存在复数解；(c)存在两组解。情况(a)存在复数解的情况表示三个球方程无实数解，直接忽略该解的结果；情况(b)存在一组解，直接将该解放入目标标签估计坐标集R中；情况(c)存在两组解，根据球方程的球心位置可以知道，两组解一组位于电缆沟道的六面体模型的上平面的上方，一组解位于六面体上平面模型的下方，考虑实际六面体模型的目标标签只可能存在于六平面模型上平面的下方，因此将在六平面模型下方的解放入目标标签估计坐标集R中。

在无线局域网环境中的标签采集点的信号从小到大逐渐增加的过程中会读取装配标签的人员和物品的有源电子标签，也就是信号球与信号球相交。有源Wi-Fi电子标签算法基于标签与无线局域网内标签采集点接收距离的“三球交汇”的公式与模型计算目标标签的估计坐标。求解方法和分析步骤与无源算法同理，并在计算目标标签的估计坐标前首先对有源标签发射信号球在电缆沟道模型的上下平面的截面圆心和圆半径进行计算。

图3是本发明专利的仿真结果图，图中带方块的折线为本发明所设计的电缆沟道安全巡视及故障定位算法，带圆点折线为不加入抗干扰策略下的算法性能，带三角的折线为未做任何改进的原始算法性能。从图中可以看出当信号强度等级(K)划分更多的信号强度等级，所有算法定位的误差都会逐渐减小，本发明所设计的算法具有最优的误差性能。

图4是本发明专利的系统结构图，该系统基于本发明公开一种电缆沟道安全巡视及故障定位算法，由安全巡视系统和故障定位系统组成。安全巡视系统由有源Wi-Fi定位标签、无线通讯环境及定位运算服务器系统组成，可对巡检人员实现安全、实时、准确定位的管理。故障定位系统由无源UHF超高频RFID电子标签、手持式带有UHF读头的PDA、无线通讯环境、RFID中间件及应定位运算服务器系统组成，可实现隧道内电力线路故障的实时定位和记录问题。

无线通讯环境包括：隧道泄露电缆、无线路由AP及光纤通讯电缆。定位运算服务器系统包括：隧道地图GIS系统、精确定位运算软件、标签管理软件及定位数据服务器。系统所需要的主要硬件包括：Wi-Fi定位标签、隧道泄露电缆、无线路由AP、光纤通讯电缆和定位运算数据服务器。

Claims (4)

1.一种电缆沟道安全巡视及故障定位算法，其特征在于，由无源UHF超高频RFID电子标签定位算法和有源Wi-Fi标签定位算法构成，算法将两种定位算法相结合，其中无源UHF超高频RFID电子标签定位算法可实现隧道内电力线路故障的实时定位和记录问题，有源Wi-Fi标签定位算法可对漏检人员实现安全、实时、准确定位和信息识别、采集、记录、跟踪等管理，算法可同时实现“巡检人员工作安全监控管理”和“线路故障问题自动定位上报管理”，具有行业推广和示范效益。

2.根据权利要求1所述的电缆沟道安全巡视及故障定位算法，其特征在于，算法针对无源UHF超高频RFID电子标签和有源Wi-Fi电子标签的读写冲突干扰问题，在原有的算法中引入了读写抗干扰策略：在无源UHF超高频RFID电子标签定位算法中信号在传送之前，PDA必须侦听信道内是否有其它读写器的信号，如果信道空闲，将读取标签；如果信道忙，将随机选择一段退避时间，再继续读取；在有源Wi-Fi电子标签算法中针对于无线局域网环境内的每个Wi-Fi定位标签读写器，在O-maxTime Slot范围内随机选择一个时隙进行通信，如果发生冲突，则随机选择另一个时隙并通知邻近的读写器；如果相邻读写器内有同样的时隙，则该读写器重新选择一个新的时隙，读写器同时跟踪当前的时隙。本专利所设计的算法比较于原有的算法能更好解决电子标签在实际应用环境中，因受到各种干扰而使得误码率增大、识别速度变慢、识别距离减小的问题。

3.根据权利要求1所述的电缆沟道安全巡视及故障定位算法，其特征在于，所述的电缆沟道安全巡视及故障定位算法的无源UHF超高频RFID电子标签定位算法首先在电缆沟内部署无源UHF超高频RFID电子标签，记录手持式带有UHF读头的PDA到无源UHF超高频RFID电子标签的信号强度、电子标签的坐标以及配置信息等预处理操作。在传送信号之前，PDA必须侦听信道内是否有其它读写器的信号，如果信道空闲，将读取标签；如果信道忙，将随机选择一段退避时间，再继续读取。随后，PDA根据读取目标标签的信号强度划分两个关键的信号强度等级最大和最小信号强度等级，根据最大和最小信号强度等级之间的电子标签集估计PDA到目标标签之间的估计距离。算法使用基于距离的“三球交汇”公式计算目标标签的估计坐标。最后使用最小二乘法平面拟合得到目标标签的估计坐标。

4.根据权利要求1所述的电缆沟道安全巡视及故障定位算法，其特征在于，所述的电缆沟道安全巡视及故障定位算法的有源Wi-Fi标签定位算法首先将有源Wi-Fi定位标签作为无线数据采集模块佩戴在人员身上或者安装在贵重物品上，通过无线局域网环境对有源Wi-Fi定位标签的信号强度、电子标签的坐标以及配置信息等预处理操作。然后，对于无线局域网环境内的每个Wi-Fi定位标签读写器，在O-maxTime Slot范围内随机选择一个时隙进行通信，如果发生冲突，则随机选择另一个时隙并通知邻近的读写器；如果相邻读写器内有同样的时隙，则该读写器重新选择一个新的时隙，读写器同时跟踪当前的时隙。根据读取目标标签的信号强度划分两个关键的信号强度等级最大和最小信号强度等级，根据最大和最小信号强度等级之间的电子标签集估计无线局域网内标签采集点到目标标签之间的估计距离。随后，使用基于标签与无线局域网内标签采集点接收距离的“三球交汇”公式对有源标签发射信号球在电缆沟道模型的上下平面的截面圆心和圆半径进行计算，并计算目标标签的估计坐标。最后，使用最小二乘法平面拟合得到目标标签的估计坐标。